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SPI 总线数据远距离传输实现.doc
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文档介绍：
SPI总线数据远距离传输实现
梁德坚刘玉琼
(柳州铁道职业技术学院广西柳州 545007)
【摘要】SPI总线是一种应用广泛的短距离串行同步通信协议,针对SPI总线数据不能进行远距离传输的问题,采用将SPI总线数据由单端不平衡传输方式转换为双端平衡传输方式,利用5类双绞线作为传输介质,使得SPI总线数据可靠传输距离延长至1200米,扩展了SPI总线的应用范围。
【关键词】SPI总线;串行通信;远距离数据传输
【收稿日期】
【作者简介】梁德坚(1964—),男,广西容县人,柳州铁道职业技术学院现代技术中心实验师,主要从事计算机在工业控制中的应用研究和智能控制研究;刘玉琼(1965—),女,广西灵川人,柳州铁道职业技术学院远程教育中心副主任,实验师,主要从事自动控制技术研究。
【中图分类号】TN919 【文章标识码】 B
To Achieve the SPI Bus Data Remote Transmission
Liang De-jian Liu Yu-qiong
(Liuzhou Railway Vocational Technical College,Liuzhou Guangxi 545007)
Abstract:the SPI bus is a kind munication protocols that serial synchronous were found wide use in short distance. It is countered the question that the SPI bus data can’t be remote (data) transmission. The transmission mode of the SPI bus data is changed from imbalance transmission mode to be balance transmission mode. Use Cat 5 twisted-pair to be to make that the reliable distance of the SPI bus data can be extend through to 1200 meter. To expanded the applied range of the SPI bus.
Key words: the SPI Bremot
SPI (Serial Peripheral Interface,串行外设接口)总线是Motorola公司提出的一种同步串行外设接口协议,它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。由于该总线占用的接口线少,而且速度快,能够同时收发,通信效率高,支持这种总线的器件众多,包括E2PROM、A/D、D/A、实时时钟、以及LED、LCD驱动器件等,是一种非常基本的外设接口,得到了广泛地应用。
SPI使用4条线:串行时钟线(SLCK)、低电平有效的从机选择线() 、主机输入/从机输出线(MOSI)、主机输出/从机输入线(MOSI),其接口连接如图1所示。SPI总线通信协议简单,传输速度快,通信效率高等诸多优点,但其传输距离较近的缺点,限制了它的使用的范围,如果在保持相当的传输速率,并能解决SPI总线传输距离近,可以极大地拓展SPI总线应用的范围。
图1 SPI接口连接示意图
1 SPI总线传输距离短的原因分析及解决办法
SPI数据总线传输距离近的主要原因是因为SPI总线采用的是单端不平衡传输的数据传输方式。
在信号传输过程中,对信号产生干扰的不仅仅是电场,诸如磁场、振动、温度等均可对信号造成干扰、在信号传输过程中受到干扰的程度与信号线质量和传输距离有很大关系,信号频率越高、信号传输线质量越差、传输距离越长则受到干扰的程度就越大。在单端不平衡传输过程中,对于已引入到信号线中的干扰是无法消除或削弱的,严重的话会造成数据传输的错误。另外,在单端不平衡传输方式中,需要一个公共的地线作为参考点,地线同时也是信号电流的回线,存在着信号电流,当被此传输线连接着的两个系统之间存在着交流电位差时,这个交流电位差将直接窜到信号中,造成噪声干扰。基于上述原因使得SPI总线数据的传输距离仅局限于板、卡级别的短距离数据传输。
采用双端平衡传输是长距离数据传输常用的一种方式。双端平衡传输的信号为幅度相等、相位相反的信号,传输线一般为双绞电缆,这两根线走向、材质一致,因此对地阻抗一致。在双端平衡传输通道中,所接收的外部电磁干扰在导线内产生的干扰是一致的,对信号接收端来说这是一种共模干扰,这种共模干扰可用适当的电路加以消除或极大的抑制,在很大程度上提高了信号传输的质量。
将SPI数据总线由单端不平衡传输方式改为双端平衡传输方式,可以极大地提高其数据传输的距离,实现SPI数据远距离的传输。
2 实现SPI总线数据远距离传输电路
实现平衡传输的电路有多种,RS-422和RS-485是工业中远距离传送数据信号使用最多的一种方式。MAX3045和MAX3093芯片是美国美信公司出品的多路RS-422/RS-485收发器芯片,其中MAX3045是
四通道RS-422/RS-485发送器,设计用于通过双绞线传送数字数据。MAX3093芯片是四通道RS-485/RS-422接收器,两芯片均为5V单电源供电,支持热插拔输入能够在电路启动过程中禁止错误数据的传输,具有ESD (Electrostatic Discharge,静电放电)保护电路,可用于对ESD敏感的应用系统中。本电路中仅使用其中三个通道,各线对数据信号为单方向传输,也就是采用RS-422的通信方式。主设备处为图2 电路原理图
发送端,远端为接收端,两者通过5类双绞线连接,构成高速单向RS-422数据传输系统,图2为电路原理图。
3 系统测试
图3 发送端和接收端的波形图
将主设备端(一般为单片机)产生的SCLK、MOSI、SS信号接至数据传送端,接收端用串行接口的MAX7221显示驱动芯片,驱动8位LED数码管显示,数据接收端接MAX7221芯片的相应的数据输入端口,传输介质采用4箱(305米/箱)5类双绞线连接起来作为传输介质,经实际测试,传输距离为
1220米时,数据传输速率达到100KHz时,MAX7221仍可正常工作,所接LED数码管显示数据正确。图3为发送端和接收端的实测串行时钟(SCLK)信号的波形图。图4为接收端串行时钟信号的传输时延,通过图4可以看出,经过1200米长距离的信号传输,接收端的信号较发送端有7.3us的时延,因为SPI总线是一个同步数据通信协议,它是以串行时钟信号SCLK上升沿或下降沿,作为接收端数据采集的时刻,只要接收端的SC
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【求助】紧急!关于SPI口的传输距离问题
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一粒金砂（初级）, 积分 0, 距离下一级还需 5 积分
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单片机SPI口远距离连接显示驱动芯片MAX7219，软硬件都调试好了，发现换上50米长的电缆线就显示乱码了，用示波器观察，发现CLK时钟信号有点变形，另外，单片机CLK信号是3V的，其它信号是5V的。请高手指点，怎么解决啊？急死我了。
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问题提的不是很明白。
CLK加上拉了吗，
换屏蔽线会好点吗，
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我设计了一个监测设备，LED显示，显示驱动用的是MAX7219（带SPI串口），另外设备需带一个复示（与主机显示完全相同）。单片机通过SPI串行口给主机显示和复示传输数据。最初设计时没有考虑SPI的传输距离问题（复示距离主机约30~50米），设计并调试通过后，发现主机通过50米电缆与复示相连时主机和复示均显示乱码，此时才发现远距离传输的干扰问题。
另外，发现单片机SPI的同步时钟信号CLK是3V，而传输的信号是5V，不过在复示通过较断电缆与主机相连时主机和复示显示均正常。
不知道SPI的传输距离能达到多远，查了些资料也没有描述，现在不知道该怎么解决，怎么办？全盘推翻重新设计已经来不及了，所以着急啊。
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SPI属于一般的TTL电平，传输距离一般为12米
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不改变设计方案很难,长距离传输最好采用RS485接口,可以达到目的1200m
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不改变设计方案很难,长距离传输最好采用RS485接口,可以达到目的1200m
有没有带RS485接口的LED显示驱动芯片啊？单片机对单片机之间可以用485接口，可总不至于在复示中也加个单片机吧？有没有什么好的解决办法，请高手们不吝赐教啊！
另外，请大家推荐一个网上邮购芯片的网站，我们这里小地方，买东西太不方便了，还耽误事。
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问题提的不是很明白。
CLK加上拉了吗，
换屏蔽线会好点吗，
今天试了在CLK上加上拉电阻，不行啊，CLK输出还是3V，信号是5V，时钟CLK是3V，真是怪。
以前用的就是屏蔽线。
晶振有没有1M甚至更低频率的，我想把速率降的再低些试试，我们这里没有卖的，最低只有3M多的，试了不行。
唉，怎么办啊。
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可用4片485芯片和6根线（两根LED供电）构成SPI 的转换和供电，可能复杂了些？
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可用4片485芯片和6根线（两根LED供电）构成SPI 的转换和供电，可能复杂了些？
楼上的意思是用485芯片做为驱动和接受用，485芯片的“0”“1”电平电压是多少？与显示驱动MAX7219连接不知道有没有问题？SPI是3线的，那就应该用6片485芯片，我没用过485芯片，不知道是否行的通？
请高手赐教。
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SPI是2线的,第3根线是片选。485传输是差动输出和接收。转换的电平与显示驱动MAX7219连接没有问题
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提高电平(最好做成电流环),减少速度.
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最简单的方法是把传输速率降低，试试看。
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一粒金砂（初级）, 积分 2, 距离下一级还需 3 积分
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感谢同志们的热情回复。
现场的电缆线是7芯的，现在用5根：5V、地和SPI的3根，MAX7219所需的SPI线有条：CLK、DI、LOAD，我试了，LOAD不能少；SPI传输速率晶振的1/64，设到最低了，晶振用的是3M多的，没找到再低的了，估计也不行，而且不能低于400KHZ，否则影响A/D的功能了，不知道有没有1M的晶振？
以前没用过RS串口传输，今天查了写资料，若用485做传输，因为是差动，需要3*2+2=8根线，不行啊。232不需要增加线，可传输距离还是不行，423好象也不用增加线，传输距离比232远些，应该可以。
可是423的应用好象很少，还没找到合适的收、发器芯片资料，请了解的DX帮忙推荐一下，非常感谢！
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这样吧。降低传输速度。同时提高线路上的电压。比如到15V。接收时再降压后整形试试。不过这样一来速度就不行了。
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无线数据采集压力信号
接收采用CC1100芯片的接收器，它对外输出信号是SPI，怎样把SPI信号转换成压力数字显示仪表的电压、电流信号。
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一粒金砂（中级）, 积分 85, 距离下一级还需 115 积分
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SPI&&50米距离远了
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智能家电电子电路设计图集锦 —电路图天天读（90） - 全文
　TOP1 智能家电远程控制系统电路设计
　　智能家电是将计算机通信网络技术与数字技术，以简单精巧的形式融入到传统家电中，使家电具备智能化和信息网络功能。智能家电的产生和发展将对传统家电、计算机和通信业产生深远影响。目前智能家电的实现方案众多，采用专用集成电路是方案 。文中介绍的电话远程智能家电控制系统以标准程控交换信令作为系统控制命令，以公用电话交换网作为传输介质，用户可以在远端发送DTMF 双音多频信号，实现对家用电器等设备的远程控制。本系统抛弃了一些复杂的，兼容性差的芯片，取而代之的是得到广泛应用并且控制简单的DTMF 双音频解码芯片和单片机，识别率高，并且技术成熟，使得本系统可以在复杂环境下稳定工作。
　　智能家电应具有很多功能，文中仅讨论远程控制系统的设计。图1 为系统功能框图，由单片机，DTMF 双音频解码模块、家电控制驱动接口、振铃检测与上线P离线开关等几个部分组成。系统检测到远程电话线传输过来的信号后，由双音频解码器对远程电话的 DTMF（Dual Tone (＄198.7500) Frequency） 进行解码识别，并对相应的受控电器发出相应的动作指令。
　　双音多频信号解码电路
　　DTMF 双音多频信号解码电路是目前在按键电话（固定电话、移动电话） 、程控交换机及无线通信设备中广泛应用的集成电路。双音多频信号是一组由高频信号与低频信号叠加而成的组合信号，我国国家标准规定了电话键盘按键与双音多频信号的对应关系。本系统采用HT9170作为DTMF 信号的解码核心器件，如图2 所示。
　　振铃检测与上线P离线开关
　　电话被呼叫时，交换机发来振铃信号。振铃为连续的正弦波，电压有效值50V ±12 V ，振铃周期约为5 秒。为避免用户呼叫系统时产生的高压振铃信号对DTMF 信号解码电路产生危害，在系统待机及振铃时，DTMF 信号解码电路应处于离线状态（与用户电话线断开） 。只有在系统检测到振铃并自动摘机后，DTMF 信号解码电路才处于上线状态（与用户电话线接通） 。根据振铃信号电压的特点，可以先使用二极管和滤波电路对振铃进行整流滤波，所得信号经稳压二极管稳压至5V 后加在开关三极管的基极，使对应有振铃信号的时间内输出高电平，如图3 所示。再将此信号输出至单片机的中断计数器输入口，当计数至7 次后（一般电话来电振铃为8 次） 由单片机控制接通继电器完成自动摘机，并闭合系统上线P离线开关电路，开启DTMF 信号解码电路与电话用户线的连接。
　　驱动电路
　　家电远程控制系统通过对继电器的闭合实现对受控电器的控制。因此，在单片机与受控电器之间必须设置一个驱动接口电路。本系统采用美国 TexasInstruments 和Sprague 公司开发的(＄0.1500) 芯片，来关闭与开启继电器开关，如图4 所示。
　　本文提出了通过远程电话实现智能家电控制系统的一种实现方案。介绍了家电和电话之间的控制接口电路， 讨论了系统结构及硬件设计。利用本系统可以实现固定电话对空调器、电灯、电饭锅等家用电器设备的远程控制。另外，本系统也可应用于工农业中，实现对无人值守岗位的远程控制。系统抛弃了一些复杂的，兼容性差的芯片，取而代之的是得到广泛应用并且控制简单的DTMF 双音频解码芯片和单片机，识别率高，并且技术成熟，使得系统可以在复杂环境下稳定工作。此外，可以通过进一步的高级菜单设计与驱动电路设计来完善控制单元，增加控制家电的运作时间、风速等级等复杂操作，使远程家电控制方式更加智能化。
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　　——让家电设计迈入崭新时代！
　　TOP2 WiFi构成的智能家电电路设计须知
　　智能家电是利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的家庭日程事务的管理系统，提升安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能环境。最常实现的应用是灯光、热水器、空调、入侵监测、烟雾报警、视频监控和窗帘的智能控制。
　　WiFi 技术在智能家居中的应用的主要优点有：WiFi 智能节点可以直接连接无线路由器，从而接入(＄68.6000) 网;不需要家庭网关，节点可以任意扩充;不会破坏现有装修;智能手机可以进行局域网控制和远程控制。当然，WiFi 技术相比ZigBee 和433 MHz 射频通信技术也有其缺点：功耗偏大、价格偏高。但随着节能技术的引进和芯片工艺的改进，功耗问题和价格问题已逐步得到解决。鉴于WiFi 模块是笔记本、平板电脑和智能手机的标准配置，基于WiFi 技术的智能家居会逐步得到推广和应用，市场前景广阔。
　　WiFi 插座的控制电路设计
　　电路原理：模块收到合上指令，PC8端口输出高电平，Q1导通，继电器的线圈有电流流过，继电器的触点L_IN 和触点L_OUT 吸合，插座供电给负载;模块收到断开指令，PC8端口输出低电平，Q1截止，继电器的线圈没有电流，继电器的触点L_IN 和触点L_OUT 断开，插座断电。以上只是以WiFi 插座为例，叙述基于WiFi 技术的智能家居，如果要实现智能家电中的其他功能，实现原理类似。例如，要实现远程视频监控，只需将插座改为摄像头并实现相应的软件功能即可。
　　智能家电控制散热系统电路模块设计
　　电路原理：当谈到控制风扇时，使用热敏电阻替代热电偶的做法已变得更流行。使用热敏电阻来控制温度已不是什么新鲜事，该器件就被用来测量PCB散热器温度的升降情况。本文将探讨其在风扇控制中的工作情况和性能，以减少噪声，并提高效率。在基于热敏电阻的风扇控制中，如果环境温度上升到高于室温状态，测温电桥将检测到温度的上升，并开启风扇。这一工作是全自动的，当环境温度回到室温时，风扇将会关闭。负温度系数（NTC）热敏电阻能够非常有效地检测出环境温度的上升。因为是负温度系数，当环境温度上升时，热敏电阻的阻值将降低。本例中的测温电桥在控制风扇工作的过程中，利用的就是热敏电阻的这一独特特征。
　　测温应用
　　电路中的风扇通过对电路进行适当冷却，可增强能效，降低风扇所产生的噪声效应。电气噪声通常是由于风扇未能在全功率条件下工作而产生的。
　　图1：比较器电路中的输入信号。
　　图2：测温电桥电路。
　　图2给出了用于风扇控制的典型测温电桥电路。电阻R2（50W、300Ω）由下式确定，它将影响输入信号。
　　TOP3 智能家电红外发射电路模块
　　在本系统设计中，单片机发出的信号如何被红外发射管识别，发射管能否正常发射红外信号是发射电路要解决的关键问题。要发射红外信号，必须要有红外发射器件。红外发光二极管是一种能产生红外光的发光二极管，目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm 左右，外形与普通发光二极管相同，只是颜色不同。常见的红外发射二极管有黑色，透明色，它与普通发光二极管的最大区别在于所发出的光为不可见光，而普通发光二极管发出的是各种颜色的可见光，通常，红外发光二极管分为两种结构形式：一种是遥控发射型红外发光二极管（即最常用的手持遥控器所用的红外发射二极管）；一种是近距离发射型红外发光二极管，这种二极管把红外光的发射与接收共集为一体。由于本设计实现的是家居遥控，因此采用第一种即可。
　　如图4所示为系统遥控发射原理图，P1.0 口为按键输入口；P2.0 口为红外发射端口，用于输出38kHz 载波编码，脉冲经9013（NPN）放大然后由红外发射管输出；第9 脚为单片机的复位脚，采用RC 手动复位电路；18、19 脚接晶振。
　　图4红外发射电路图
　　红外接收器件介绍
　　一般的红外接收头主要由集成电路外加阻容元件，红外线接收管及滤波光片等组成，电路设计相对繁琐，在实际应用中不方便。而红外遥控接收头SM0038 集红外接收管，前置放大解调等于一体，无外部电路，体积小，密封性好，灵敏度高，应用简单，用小功率红外发射管发射信号接收距离达35 米，并且价格低廉。它仅有三条管脚，分别是电源正极、电源负极以及信号输出端，其工作电压在5V 左右，接收频率为38kHz，它的主要功能包括放大，选频，解调几大部分，要求输入信号需是已经被调制的信号。从而使电路达到最简化，灵敏度和抗干扰性都非常好，是一个接收红外信号的理想装置。如图5 所示：
　　图 5 SM0038
　　接收电路及调光电路设计
　　接收电路和调光电路的实现均是通过继电器实现的，给每一个继电器串联一个电阻，构成一个回路，本电路将四个继电器回路并联，连接在P0 口上，当四个继电器均闭合时，灯最亮，当三个继电器工作时，灯较亮，当两个继电器工作时灯次亮，当一个继电器工作时，灯最暗，当四个继电器都不工作时，灯泡处于关闭状态。接收电路图如图所示：
　　本论文最大的难点是如何实现红外信号的发射与接收，为了减少电路的繁琐，我使用单片机来实现软件编码解码，大大提高了电路的灵活性，降低了成本，仅仅使用一个键就能实现对一个灯具的开关和亮度调节，若是把一个按键开关改设成一个矩阵键盘，就可以实现对整个家里的灯具的开关和亮度控制，实用性很强。
　　TOP4 智能家电串行接口电路设计指南
　　串行端口电路
　　家电控制板采用串口与XSBase270实验箱进行通信，其采用了经典的兼容RS-232标准的(＄2.0686)芯片作为串口的电平转换芯片。电路的连接如图2-4所示：
　　图2-4　家电控制板串行接口电路
　　其中2脚RxD为接收引脚，3脚TxD为发送引脚，GND为信号地引脚。一般情况下普通串口只接这几个引脚；特殊的串口，如蓝牙串口除接上述的三个脚之外，还接了DSR引脚和CTS引脚，是因为蓝牙串口的数据流输出采用这两个脚的信号控制；而其他引脚是跟相关的。在智能家居系统中，家电控制板接普通串口，GSM模块接蓝牙串口。
　　RS-232信号相对于信号地而言，在正负电平之间摆动。发送数据时，发送端输出的正电平在+5V 到+15V之间，负电平在-5V和-15V之间。无数据传输时，线上为TTL电平。接收器典型的工作电平在+3V~+12V与-3V~-12V。由于发送电平和接收电平的差仅为2~3V左右，所以其共模抑制能力差，加上双绞线的分布电容，信号传输距离最大为15m，最高速率为20kb/s。
　　(＄2.0686)包含2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器电路，提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。
　　家电控制电路
　　图2-7 模拟家电控制电路
　　家用电器控制的接口电路如图2-7 所示，K1～K4 为继电器，分别控制四路家电的闭合和断开，Q1～Q4 为继电器线圈电流驱动，电路由单片机的P1口进行控制，DD1～DD4 发光二极管用于显示某路控制电路的工作情况，主要为了调试电路而设置。
　　传感器接口电路
　　图2-8 传感器接口电路图
　　烟雾、煤气泄漏、红外等这些传感器的报警信号通过光电耦合接入单片机的P2 口，如图2-8 所示，在传感器没有报警信号时，光电耦合芯片处于截止状态，与之相接的单片机端口为低电平；当传感器有报警，传感器输出高电平，此时光电耦合芯片导通，与之相接的单片机端口为高电平，由单片机对报警信号进行采集并做出相应处理。
　　本文提出了基于嵌入式系统ARM10的智能控制平台的设计，功能包括了短信控制家电，传感器探测非正常环境并且通过手机短信告知业主，以及以太网实时视频监控等功能。使用标准串口线连接家电控制板与PC机。使用“串口调试助手”软件进行对串口的读写操作。往家电控制板输入形如“%0001”的字符串，观察是否能启动对应的LED。同样的，按对应的“传感器”按钮，观察PC机是否能收到正确的字符串。经过测试，家电控制板能够正常运行。
　　TOP5 智能家电中的无线数据传输电路设计方案
　　通过中央管理平台，让家居生活舒适、安全、便利、节能、健康、环保。类似名称的还有数码家居、数字字园、网络家庭、家庭自动化、E－HOME等等。目前，智能家电可为用户提供家居安全报警、可视对讲、家电、照明调光、设备的室内外遥控、电话远程控制、(＄68.6000)远程控制等多种功能。产品类型包括有线、无线或者有线和无线结合，无线方式具有无布线，移动，安装方便、应用场合广等优点逐渐成为应用主流。
　　灯光控制部分硬件组成框架
　　灯光控制部分硬件组成框图如图1所示，其中各部分接口电路如下：
　　图1 无线灯光控制电路
　　图2 非隔离电源电路图
　　①非隔离电源电路为MCU和无线模块提供工作电压，如图2所示，采用PI的LinkSwitch-TN，由于功率MOSFET和控制器集成在一个IC当中，设计过程可得到极大地简化。电路路中所用元件数目很少，无需变压器，即可以利用设计速成部分，使用标准元件完成常用输出电压和电流的设计。
　　②无线模块连接电路如图3所示，PHY只需使用5个I/O口即可工作，同时采用SPI兼容的控制接口作为数据通讯接口，我们测试板也正是使用这种方式与 PHY模块进行连接的。各个接口功能如下：SCK：SPI串口时钟输入；SDI：SPI串口数据输入；NSEL：SPI片选输入（低电平有效）；SDO：SPI串口数据输出；NIRQ：中断请求输出（低电平有效）；PHY模块用作数据。该模块具有体积小、功耗底等优点，非常适合用于无线设备上。
　　图3 无线模块连接电路
　　③调光模块电路如图4所示，包括一个EMI滤波器、一个无源功率因数校正、镇流器控制和灯谐振输出级，输出级采PWM输出驱动信号，通过驱动变压器驱动半桥MOS管，实现灯光的控制。
　　图4 调光控制电路
　　TOP6 手持RF遥控部分硬件组成框架
　　手持RF遥控部分硬件组成框架如图5所示，具体电路接口如下：
　　图6 按键电路
　　①按键电路如图6所示，
　　4*4轻触按键作为用户的输入，用户按键的输入判断是采用普通的I/O方式。具体每个按键定义为，可以根据开发着设计需要而定。
　　②无线模块连接电路与手持RF无线模块的电路与灯光控制部分基本一样，电路如图3所示，都是使用SPI方式与无线模块通信。
　　③电源电路如图7所示，手持遥控使用5V～9V干电池为系统供电。
　　图7 电源电路
　　本文介绍的智能化灯光控制方案，可以通用到任一智能家居设计方案中，方便的应用于各种智能家居系统上。
　　智能家电报警系统电子电路设计指南
　　报警器能根据监控的对象进行设计，种类繁多，广泛地运用于各行各业及人们的日常生活。一般而言，报警器的电路可分为单点式和多点式。单点式报警器电路结构较为简单，只需把传感器监测到的信号进行放大，直接驱动声光报警器电路工作。多点式报警器电路常采用单片机技术开发的电话报警系统，当有外人侵入、煤气泄漏、火灾等险情时，能及时地报警，可靠性大大提高。与单点式相比，多点式运用的范围更多，比如说工农业生产、安全防灾、住灾区防盗等诸多领域。常见的电子报警器有电子防盗报警器、可燃性气体报警器、火灾报警器等。
　　报警器的总体方案
　　下面对个别电路模块进行方案论证，其典型应用电路如图：
　　MT5087拨号电路
　　在图2-3电路中，键盘控制逻辑电路的行线和列线对应1-0中的一位数字，供程控交换机新服务性能使用，还有多余四个键备用。当按下一键时，就确定了是哪两种音调的组合，经过高、低两个音组的D/A转换，合成的正弦波经加法器相加后由MT5087的16端输出。MT5087键值与音频关系如表2-1 所示。
　　TOP7 电源电路的设计
　　该电路将家用220V交流电经降压、整流、稳压后得到稳定的5V直流电。其电路设计如图3-1所示。
　　如图3-1，变压器T1将交流220V电压变成12V交流低压，再经桥堆整流、滤波后转换成不稳定的直流电压（16.968V），然后加在三端集成稳压器7805输入端，经稳压器后输出稳定的直流电压。同时，为减小电网电压波动对电路的影响，分别在三端集成稳压器7805输入端及输出端接上 470uF电解电容C20、0.01uF电容C22及100uF电解电容C19、0.01uFC21电容。其中，C19和C20主要起减小纹波的作用，同时C19还可改善负载的瞬态响应；C22可旁路高频干扰脉冲，C21起减小高频输出阻抗的作用。
　　键盘及显示电路的设计
　　根据方案论证，键盘及显示电路设计如图3-2所示。
　　图3-2 键盘及显示电路
　　如图3-2，键盘电路采用3×4矩阵式接口方式，由STC89C52单片机P0.0-P0.6七个口控制。根据按键识别原理，行线接5V高电平及 10K上拉电阻，处于高电平状态，可将列线置低，检查行线状态，若为高则无键按下，为低则有键按下；然后让列线逐列为低，再检查行线状态，判断出哪个键按下。显示电路通过单片机串行口RXD、TXD输出，采用串行输入芯片(＄0.0779)接收，通过QA-QH 八个口经300欧姆限流电阻送至八段数码管显示。
　　TOP8 智能家电中热水器电路设计方案
　　主控器采用(＄3.5000)，是一款以太网微控制器，具有出色的计算性能、丰富的功能集以及极具竞争力的价格，包括一系列串行通信外设，多至2个独立增强型USART 和2个主控SSP模块，能够进行SPI 和I2C模式操作，具有嵌入式以太网控制器模块。
　　本文的连接解决方案，完全实现介质访问控制和物理层收发器模块，只需使用两个脉冲变压器和一些无源器件即可将单片机直接与以太网相连。网络接口电路如图所示，TPIN+/TPIN- 和TPOUT+/TPOUT- 引脚与用于以太网操作的1:1 中心抽头脉冲变压器相连。当使能以太网模块时，两个TPOUT 引脚会有持续的电流流入;当收发器模块在发送数据时，通过改变TPOUT+ 和TPOUT-的相对电流大小，将在以太网电缆上产生一个差分电压，发送和接收接口均需要另外使用两个电阻和一个电容正确与传输线相连，最大限度地减少信号反射，增加通信信号的稳定。
　　该方案主要是以IAI442X系列芯片和PIC系列微控制器研发的智能家居控制方案，可以方便地推广应用到各种智能家电系统中。
　　揭秘STC12C控制智能家电防盗系统应用电路
　　随着经济的发展，人们对防盗、防劫、防火安保设备的需求量日益增长，报警系统也从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发展。本文设计防盗系统采用STC12C系列高速1T单片机作为整个系统的控制核心，负责对家居内的各个智能防盗模块进行控制管理，若出现异常物体或者人员侵入，在启动高强度声音报警的同时，还可控制本系统中的GPRS模块SIM300自动拨打设定的电话或者发短信，实现系统的智能远程报警。同时远程控制者还可以通过拨打电话或者短信方式实现对系统的远程控制，对受控区域的电源或者其他装置进行控制管理，从而保护个人的家居财产安全。
　　GPRS通信模块
　　本设计中GPRS通信模块采用的是一款三频段GSM/GPRS模块SIM300，适合于开发一些GSM/GPRS的无线应用产品，如移动电话，无线 卡，无线POS机，无线抄表系统以及无线数据传输业务，应用范围十分广泛。SIM300模块具有一套标准的AT命令集，包括一般命令、呼叫控制命令、网络服务相关命令、电话本命令、短消息命令、GPRS命令等。本系统中与GPRS模块的通信是通过串口连接，通过处理相应的AT命令，来实现系统与模块的数据通信。
　　系统中，设计了SIM300模块的相应接口板电路，该电路板主要包含SIM300必要的外围电路，4.2V电压供给电路 ， SIM卡座以及(＄780.5000)串口电平转换电路等。该模块的功能是通过天线接收手机发过来的信息，并且通过串口与系统主控CPU通信，判断是否有读短信的AT 命令，等单片机读短信成功，由系统主控CPU对信息进行分析后，做出相应的处理。同样，当防盗系统发出报警信号时，由主控CPU发出报警，控制 SIM300模块实现相应的信息发送。
　　图2SIM300外围接口部分电路
　　图3CPU及部分外围电路
　　设计采用增强型高速单片机STC12LE5A60S2为控制器、SIM300作为无线GPRS通信模块来实现系统的远程控制，各防盗模块与系统之间采用无线模块来通信。系统可通过拨打指定手机或发送短信等方式，实现对各个模块的状态进行远程监控，异常情况可远程操作该系统实施相应的控制命令。
　　TOP9 智能家电无线报警系统网络节点与电源电路
　　无线报警网络节点硬件设计
　　无线报警网络节点主要由微处理器(＄0.5999)、(＄1.8620)无线通信芯片、外围设备和开关量输入接口的传感器构成。微处理器(＄0.5999)是整个网络节点硬件系统的核心控制部件，负责接收传感器触发的开关量报警信号，发送(＄1.8620)通信命令，控制信息的传输。单片射频收发芯片(＄1.8620)是实现无线数据传输的关键器件。(＄1.8620)工作于2.4～2.5GHzISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序配置，芯片功耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。网络节点采用(＄1.8620)进行数据传输，来实现报警信息的无线传输。网络节点通过连接的传感器感知外部环境异常变化。网络节点的电路原理图如网2 所示。
　　在网络节点中电源是能源中心，在节点中起着非常重要的作用，特别是在无线通信系统中，电源不光是能源供应者，它也直接影响通信的质量。器件对加到输入引脚或输出引删的电压通常是有限制的。这些引脚由二极管或分离元件接到Vcc。如果接入的电压过高，电流将会通过二极管或分离元件流向电源。另外系统自身的发送频率也会经过电源感应反馈到通信系统造成干扰。凶而可在电源电路中加入220μH的电感，与并入多个不同容值的电容所构成的滤波电路来抑制各种高频信号。使节点能够得到稳定可靠且低干扰的电源，保证节点的可靠运行。该电源电路如图3所示。
　　PC机智能家电控制系统电路设计详解
　　本系统采用单片机(＄3.7875) 为控制核心，以电脑作为上位机，实现在电脑上自动控制8路家电的开关状态，单片机嵌入式系统亦可以通过按键控制家电的开关。硬件部分包括单片机最小系统，串口通信、液晶显示界面三大部分。最小系统部分单片机选用了(＄3.7875)单片机，串口选用232电平转TTL电平的(＄2.0686)芯片，进行电平转换。液晶选用128X64点阵的液晶模块。本系统显示直观，控制方便。
　　稳压直流电源设计
　　本系统设计为5V直流稳压电源给系统供电，(＄44.0800)市电经220V～9V变压器变压，然后经桥式整流电路，再经电容滤波电路，经7805稳压管稳压，再进行二次滤波，输出较稳定的5V电压，给本系统供电。
　　矩阵按键部分由8个轻触按键，单片机的P2口检测及按键状态，并记录相应的键值，指示相应的指示灯亮，并同步把相应信息通过串口传给PC机。
　　键盘的硬件电路如图2-2所示：
　　图2-2键盘硬件图
　　键连击现象的克服和处理
　　当我们按下某个键时，对应的功能便会通过键盘分析程序得以执行，如果在操作者释放之前，对应的功能多次执行，如同操作者在连续不断的操作该键一样，这种现象就称为连击。连击先可用图4-2-3所示流程图的软件方法来解决：当某个键按下时，首先进行软件去抖处理，确认键被按下后，便执行与该键相对应的功能，执行完后不是立即返回，而是等待键释放之后再返回，使每一次按键只被响应一次，从而达到避免连击的目的。
　　指示灯硬件图
　　如果把连击现象加以利用，有时会给操作者带来便利。例如在某些仪器中。因设计的按键很少，没有安排0～9数字键，只设置了一个调整键，这时需要采用加 1（或者减1）的方法来调整有关参数，但当调整量较大时就需要多次按键，使操作者很不方便。如果允许存在连击现象，我们只要按住键不放，参数就会不停的加 1（或者减1），会让操作比较方便、快捷。具体实现流程图如图4-2-3所示，其中加入的延时环节是为了控制连击的速度。
　　 液晶显示驱动电路的设计
　　液晶显示的原理分析
　　现在，在市场上所使用的液晶都是液晶模块，也就是说，现在的液晶模块都是将液晶以及相应的驱动芯片，寄存器，驱动电源电路等一系列的辅助电路都集成在了一起，从二使用户能够更加的方便是液晶，即所谓的大众化。12864采用的是点阵式液晶，分为128X64个点，即有1204个字节，也就是说每一个 ROM内存单元对应一个点阵。如何对其驱动是对12864的主要难点，对于其驱动大致可以分为：初始化，设置起始位显示，输送数据几大块。初始化主要的就是按照芯片手册来，因为那些命令语句的内存单元都是定的，不能够根据用户的喜好来自己定义。设置起始位数据显示位置，主要是要搞清楚ROM的对应地址。 12864分为左半屏面和右半屏面。其中左边占64列，右边占64列。共128列。行分为64行。又将其分为8页，每一页占8行。列的起始地址为40H，行的起始地址为B8H。
　　系统仿真
　　随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使智能家电的整体水平发生巨大变化，传统的家电控制方式逐步的被智能化所取代。智能家电的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能家居的发展。
　　智能家电过压保护电路原理分析
　　电路原理：该装置工作原理见图，电容器C1将220V交流市电降压限流后，由二极管VD1、 VD2整流，电容器C2担任滤波，得到12V左右的直流电压。当电网电压正常时，稳压二极管VDW不能被击穿导通，此时三极管VT处于截止状态，双向可控硅VS受到电压触发面导通，插在插座XS中的家电通电工作。
　　如果电网电压突然升高，超过250V，此时在RP中点的电压就导致VDW击穿导通，VDW导通后，又使得三极管VT导通，VT导通后，其集电极—发射极的压降很小，不足以触发VS，又导致VS截止，因此插座XS中的家电断电停止工作，因而起到了保护的目的。一旦电网电压下降，VT又截止，VT的集电极电位升高，又触发VS导通，家电得电继续工作。
　　用于智能家电的单相副电量表电路设计
　　能源监视器设计作为一套完善工具，用于测量和显示智慧建筑内各负载（如主要家电）的能耗。借助这一工具，工程师可快速评估 TI 为低成本电能计量应用提供的解决方案。该参考设计配备硬件和软件设计文件，可加快工程师的开发进程。能源监视器设计还可进行扩展与 TI 的 ZigBee 和 Wifi 参考设计结合，将无线通信功能添加到终端产品中。
　　单相电能计量系统
　　通过板载显示屏来显示输入交流电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素和能耗 （kWh），支持 110V-240V 输入电压范围，用于调节 LCD 显示屏和时间设置的简单按钮，提供 TI 通信模块接口，适合于 ZigBee （CC2538EM-RD）、Wifi （CC3000EM-RD） 和面向无线 M-Bus 的低于 1GHz 射频。
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　　——让家电设计迈入崭新时代！
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